无刷直流电机的工作原理 (二)

无刷电机相信大家没听说过，生活或工作中都用过或接触过，今天分

享一篇从基础开始描述无刷电机的文章。

0.电动机转动的原理

先说电动机的基本原理吧。有基础的可以直接跳过,大家小时候都玩过磁铁吧，异

极相吸，两磁铁一靠近“啪”就撞上了。

现在假设你的手速足够快，拿着一块磁铁在前面疯狂勾引，那么另外一块磁铁就一

直跟着你。

你的手拿着磁铁画圈圈，另外i块磁铁也跟着你转圈圈。

以上，就是电动机转动的基本原理了。只不过是在前面用来勾引的“磁铁”不是真

的磁铁，而是由线圈通电后生成的磁场。

1.无刷直流电机简介

无刷直流电机,英语缩写为BLDC（BrushlessDirectCurrentMotor）0电机的

定子（不动的部分）是线圈，或者叫绕组。转子（转动的部分）是永磁体，就是磁

铁。根据转子的位置，利用单片机来控制每个线圈的通电，使线圈产生的磁场变

化，从而不断在前面勾引转子让转子转动，这就是无刷直流电机的转动原理。下面

深入一下。

2.无刷直流电机的基本工作原理

2.1.无刷直流电机的结构首先先从最基本的线圈说起。如下图。可以将线圈理解

成长得像弹簧一样的东西。根据初中学过的右手螺旋法则可知，当电流从该线圈的

上到下流过的时候，线圈上面的极性为N,下面的极性为S。

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现在再弄一根这样的线圈。然后摆弄一下位置。这样如果电流通过的话，就能像有

两个电磁铁一样。

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再弄一根，就可以构成电机的三相绕组。

再加上永磁体做成的转子，就是一个无刷直流电动机了。

2.3.无刷直流电机的电流换向过程FET的“开合”时机是由单片机控制的。最常

用的电流换向方法是Six-stepCommutation,翻译过来是“六步换向”。现在建

个坐标系。六步换向的过程如下表。

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2.4.无刷直流电机的转子是怎么转动的呢？靠的就是用六步换向生成一个旋转的

磁场，在转子的前方不断勾引。就像文章开头那只拿着磁铁画圈圈的手一样。如果

你看合成的磁场方向和转子所在的位置的话，就一口了然了。

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你看，合成的磁场的S极一直在转子N极的前面等着。只要把握好线圈通电的时

机，让合成磁场的方向一直提前于转子的位置，转子就会一直屁颠屁颠地跟着，

3.怎样确定换向时机？

上面说过，控制转子转动的关键是，等转子转到合适的角度时，对通过线圈的电流

进行换向，从而使生成的磁场方向发生变化，吸引转子，令转子转动。那这个电流

换向的时机应该怎么把握呢？也就是说，我要怎么样知道现在转子转动到什么位

置？知道转子在哪我才知道要通哪两相的电啊。其实判断转子位置的方法挺多，用

传感器也行，不用传感器也行。先说用传感器的，传感器一般用霍尔传感器(Hall

Sensor)。

3.1.用传感器确认转子位置3.1.1.霍尔传感器霍尔传感器通过霍尔效应(Hall

Effect),能检测出磁场强度的变化。根据高中物理所学的左手定则(用来判断带

电导体在磁场中的受力方向)，在霍尔传感器所在的回路中，磁场使带电粒子的运

动发生偏转，带电粒子“撞到”霍尔传感器的两边，产生电位差。这时就可以用电

压计接到霍尔传感器的两边，检测出这种电压变化，从而检测出磁场强度的变化。

原理如下图所示。

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3.1.2.霍尔传感器怎样得到转子的位置？有了霍尔传感器，就能大致知道转子的

位置了。霍尔传感器一般是每隔120°安装，或者每隔60°安装。下面假设是每隔

120°安装的。

假设转子N极划过霍尔传感器的感应区域时，霍尔传感器的输出电压为高（一般

5V）o反之为低。

根据HA,HB,HC的电平，可以知道转子所处位置的角度。比如，若HA高，HB

低，HC低，我们能够知道转子处于180度〜240度的电气角度之间（电气角度和实

际机械角度的关系等下说）。使用3个霍尔传感器时，分辨率是60度的电气角

度。就是说我只能知道现在转子的位置在60e电气角度范围内，但准确具体多少

度我们不知道。

3.1.3.电气角度和机械角度关系虽然在这里插入这么个小知识有点怪，但我还是

觉得有必要的，因为我觉得当时学的时候不太好理解。在这里配合霍尔传感器的实

例说可能好懂一点。

机械角度就是电动机转子实际转过的角度。电气角度和机械角度的关系与转子的极

对数有关。因为实际上线圈生成的磁场要吸引的是转子的磁极。所以对于电机的转

动控制来说，我们只关心电气角度就好。

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电气角度=极对数X机械角度

3.2.无传感器时估计转子位置的方法这个坑有点大，这个答案就先略过了。

4.无刷直流电机的转速和旋转方向

4.1.怎样控制无刷直流电机转动的方向？改变电流换向的次序即可。让线圈合成

的磁场方向反方向旋转起来。

4.2.怎样控制无刷直流电机的转速？线圈两端的电压越大，通过线圈的电流越

大，生成磁场越强，转子转动得就越快。

因为接的电源是直流的,所以我们通常用PWM（PulseWidthModulation,脉冲宽

度调制）来控制线圈两端电压的大小。PWM的简单原理如下。

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所以给无刷直流电机通电的时候，用单片机产生的PWM不断地控制FET的开合，能

使线圈反复处于通电断电，通电断电的状态。通电时间长（Duty大），线圈两端

的等效电压就大，产生的磁场强度就强，转子转动就快；通电时间短（Duty

小），线圈两端的等效电压就小，产生的磁场强度就弱，转子转动就慢。

PWM波形接到FET的Gate（门极）上，控制FET的开合。假设Gate上的电压为高

时，FET闭合导通;Gate上的电压为低时,FET断开不通电。

而且同一相上的上下两个FET须由反相的PWM波形控制，以防止上下两个FET司时

导通，造成电流不通过电机而上下相同，造成短路，控制FET的PWM波形如下，

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